第九章--新型傳感器

1、自動檢測技術(shù)第九章-新型傳感器自動檢測技術(shù) 9.1 9.1 機器人傳感器機器人傳感器 機器人是由計算機控制的復(fù)雜機器，他具有類似機器人是由計算機控制的復(fù)雜機器，他具有類似人的肢體及感官功能，動作靈活，有一定的智能化，人的肢體及感官功能，動作靈活，有一定的智能化，在工作中可以不依賴人的操縱。機器人傳感器在機器在工作中可以不依賴人的操縱。機器人傳感器在機器人的控制中起了非常重要的作用，正因為有了傳感器，人的控制中起了非常重要的作用，正因為有了傳感器，機器人才具備了類似人類的知覺功能和反應(yīng)能力。機器人才具備了類似人類的知覺功能和反應(yīng)能力。自動檢測技術(shù)9.1.1 9.1.1 機器人傳感器的分類機器人傳

2、感器的分類 智能機器人的研究都是以人或動物作為模仿對智能機器人的研究都是以人或動物作為模仿對象。人類通過五官，即視覺、聽覺、嗅覺、味覺、象。人類通過五官，即視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺來接收外界信息并通過神經(jīng)傳遞給大腦。大腦觸覺來接收外界信息并通過神經(jīng)傳遞給大腦。大腦對多種不同的信息進行加工、綜合并作出適當?shù)臎Q對多種不同的信息進行加工、綜合并作出適當?shù)臎Q策。但計算機、電子電路卻只能處理電子信號，不策。但計算機、電子電路卻只能處理電子信號，不能像人類那樣直接從外界獲取信息。而傳感器卻具能像人類那樣直接從外界獲取信息。而傳感器卻具有類似人類五官感覺的功能，它們是將外界信息轉(zhuǎn)有類似人類五官感覺的功能

3、，它們是將外界信息轉(zhuǎn)換成電子信號的電子元器件。換成電子信號的電子元器件。自動檢測技術(shù)9.1.2 9.1.2 常用的機器人傳感器常用的機器人傳感器1.聽覺傳感器聽覺傳感器圖圖9-1 家用服務(wù)型智能機器人家用服務(wù)型智能機器人自動檢測技術(shù) 家用服務(wù)型機器人，如圖家用服務(wù)型機器人，如圖9-1所示，它在為我們服所示，它在為我們服務(wù)的時候，需要聽懂主人的吩咐，按照主人的指令完務(wù)的時候，需要聽懂主人的吩咐，按照主人的指令完成預(yù)定的工作。給智能機器人安裝成預(yù)定的工作。給智能機器人安裝“耳朵耳朵”是很有必是很有必要的。要的。 智能機器人的智能機器人的“耳朵耳朵”首先要具有接收聲音信號首先要具有接收聲音信號的的“

4、器官器官”，其次需要語音識別系統(tǒng)。語音識別技術(shù)，其次需要語音識別系統(tǒng)。語音識別技術(shù)是人工智能和智能機器人的重要研究領(lǐng)域，隨著是人工智能和智能機器人的重要研究領(lǐng)域，隨著IBM Via Vioce的成功，一些基于該成果的識別產(chǎn)品相繼問的成功，一些基于該成果的識別產(chǎn)品相繼問世。世。自動檢測技術(shù) 1）動圈式傳聲器）動圈式傳聲器 動圈式傳聲器的結(jié)構(gòu)原理如圖動圈式傳聲器的結(jié)構(gòu)原理如圖9-2所示。線圈貼于所示。線圈貼于振膜上并懸于兩磁極之間聲波通過空氣使振膜振動，振膜上并懸于兩磁極之間聲波通過空氣使振膜振動，從而導(dǎo)致線圈在兩磁鐵間運動。線圈切割磁力線，產(chǎn)生從而導(dǎo)致線圈在兩磁鐵間運動。線圈切割磁力線，產(chǎn)生微弱

5、的感應(yīng)電流，該電流信號與聲波的頻率相同。較高微弱的感應(yīng)電流，該電流信號與聲波的頻率相同。較高檔的話筒，就采用動圈式傳聲器。檔的話筒，就采用動圈式傳聲器。圖圖9-2 動圈式傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖動圈式傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖自動檢測技術(shù)2）光纖聲波傳感器）光纖聲波傳感器 光纖聲波傳感器有兩種類型。一種是利用光纖傳輸光纖聲波傳感器有兩種類型。一種是利用光纖傳輸光的相位變化和利用傳輸光的傳輸損耗等特性制成的光的相位變化和利用傳輸光的傳輸損耗等特性制成的聲波傳感器，另一種是將光纖僅作為傳輸手段的聲波聲波傳感器，另一種是將光纖僅作為傳輸手段的聲波傳感器。雙光纖干涉儀是典型的光纖聲波傳感器。傳感器。雙光纖干

6、涉儀是典型的光纖聲波傳感器。圖圖9-3雙光纖干涉儀聲波傳感器雙光纖干涉儀聲波傳感器1聲源聲源 2光纖線圈光纖線圈 3干涉鏡干涉鏡自動檢測技術(shù)2.視覺傳感器視覺傳感器 視覺傳感器以光電變換為壁礎(chǔ)，是利用光敏元件視覺傳感器以光電變換為壁礎(chǔ)，是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器件。將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器件。 激光視覺傳感器、激光視覺傳感器、CCD視覺傳感器和視覺傳感器和CMOS圖像圖像傳感器可以作為機器人的視覺系統(tǒng)，監(jiān)控機器人的傳感器可以作為機器人的視覺系統(tǒng)，監(jiān)控機器人的運行。運行。 1）激光視覺傳感器）激光視覺傳感器 激光束以恒定的速度掃描被測物體，由于激光方激光束以恒定的速度掃描被測

7、物體，由于激光方向性好、亮度高，因此光束在物體邊緣形成強對比向性好、亮度高，因此光束在物體邊緣形成強對比度的光強分布，經(jīng)光電器件轉(zhuǎn)換成脈沖電信號，脈度的光強分布，經(jīng)光電器件轉(zhuǎn)換成脈沖電信號，脈沖寬度與被測尺寸成正比，從而實現(xiàn)了機器人對物沖寬度與被測尺寸成正比，從而實現(xiàn)了機器人對物體尺寸的非接觸測量。體尺寸的非接觸測量。 自動檢測技術(shù)a) 激光視覺傳感器工作原理激光視覺傳感器工作原理b) 正反射光檢測正反射光檢測c) 漫反射光檢測漫反射光檢測圖圖9-4 激光視覺傳感器構(gòu)成原理示意圖激光視覺傳感器構(gòu)成原理示意圖自動檢測技術(shù)2）紅外）紅外CCD視覺傳感器視覺傳感器 混合型紅外混合型紅外CCD視覺傳感

8、器構(gòu)成原理如圖視覺傳感器構(gòu)成原理如圖9-5所所示。使用固體電子掃描的紅外攝像傳感器，一般稱為示。使用固體電子掃描的紅外攝像傳感器，一般稱為紅外紅外CCD，其成像原理與熱電型紅外光成像原理基，其成像原理與熱電型紅外光成像原理基本相同。紅外光熱電敏感元件和固體電子掃描部分均本相同。紅外光熱電敏感元件和固體電子掃描部分均用相同半導(dǎo)體材料，經(jīng)過一系列處理而制成單片型紅用相同半導(dǎo)體材料，經(jīng)過一系列處理而制成單片型紅外外CCD。也可用不同的半導(dǎo)體材料經(jīng)不同處理而制。也可用不同的半導(dǎo)體材料經(jīng)不同處理而制造、組裝成混合型紅外造、組裝成混合型紅外CCD。信號處理芯片用。信號處理芯片用Si材材料制作，柔軟銦緩沖器

9、保證對溫度變化和沖擊的可靠料制作，柔軟銦緩沖器保證對溫度變化和沖擊的可靠性。性。自動檢測技術(shù)圖圖9-5 混合型紅外混合型紅外CCD構(gòu)成原理構(gòu)成原理自動檢測技術(shù) 3）CMOS圖像傳感器圖像傳感器 CCD和和CMOS在工作原理上沒有本質(zhì)的區(qū)別，在工作原理上沒有本質(zhì)的區(qū)別，主要區(qū)別是讀取圖像數(shù)據(jù)的方法。主要區(qū)別是讀取圖像數(shù)據(jù)的方法。CMOS在每一個在每一個像素上采用有源像素傳感器及幾個晶體管，經(jīng)光電像素上采用有源像素傳感器及幾個晶體管，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電壓信號，以實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的讀取，轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電壓信號，以實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的讀取，信號讀取十分簡單，還能同時處理各單元的圖像信信號讀取十分簡單，還能同

10、時處理各單元的圖像信息，使息，使CMOS器件能較器件能較CCD傳感器更快地轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。傳感器更快地轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。自動檢測技術(shù)3.觸覺傳感器觸覺傳感器 機器人觸覺可分為壓覺、滑覺和接觸覺等幾種。機器人觸覺可分為壓覺、滑覺和接觸覺等幾種。 1）壓覺傳感器）壓覺傳感器 壓覺傳感器位于手指握持面上，用來檢測機器壓覺傳感器位于手指握持面上，用來檢測機器人手指握持面上承受的壓力大小和分布。如圖人手指握持面上承受的壓力大小和分布。如圖9-6所所示，硅電容壓覺傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖。示，硅電容壓覺傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖。圖圖9-6 硅電容壓覺傳感器陣列剖面圖硅電容壓覺傳感器陣列剖面圖1柔性電片層柔性電片層 2表皮層表皮

11、層 3硅片硅片4襯底襯底 5SiO2 6電容極板電容極板自動檢測技術(shù)2）滑覺傳感器）滑覺傳感器 機器人的手爪要抓住屬性未知的物體，必須對物機器人的手爪要抓住屬性未知的物體，必須對物體作用最佳大小的握持力，以保證既能握住物體不產(chǎn)體作用最佳大小的握持力，以保證既能握住物體不產(chǎn)生滑動，而又不使被抓物滑落，還不至于因用力過大生滑動，而又不使被抓物滑落，還不至于因用力過大而使物體變形而損壞。在手爪間安裝滑覺傳感器就能而使物體變形而損壞。在手爪間安裝滑覺傳感器就能檢測出手爪與物體接觸面之間相對運動（滑動）的大檢測出手爪與物體接觸面之間相對運動（滑動）的大小和方向。小和方向。自動檢測技術(shù)圖圖9-7 球形滑覺

12、傳感器球形滑覺傳感器1滑動球滑動球 2被抓物被抓物 3軟襯軟襯 4接觸器接觸器該傳感器有一個可自由滾動的球，該傳感器有一個可自由滾動的球，球的表面是用導(dǎo)體和絕緣體按一球的表面是用導(dǎo)體和絕緣體按一定規(guī)格布置的網(wǎng)格，在球表面安定規(guī)格布置的網(wǎng)格，在球表面安裝有接觸器。當球與被握持物體裝有接觸器。當球與被握持物體相接觸時，如果物體滑動，將帶相接觸時，如果物體滑動，將帶動球隨之滾動，接觸器與球的導(dǎo)動球隨之滾動，接觸器與球的導(dǎo)電區(qū)交替接觸從而發(fā)出一系列的電區(qū)交替接觸從而發(fā)出一系列的脈沖信號脈沖信號Uf，脈沖信號的個數(shù)及，脈沖信號的個數(shù)及頻率與滑動的速度有關(guān)。球形滑頻率與滑動的速度有關(guān)。球形滑覺傳感器所測量

13、的滑動不受滑動覺傳感器所測量的滑動不受滑動方向的限制，能檢測全方位滑動。方向的限制，能檢測全方位滑動。在這種滑覺傳感器中，也可將兩在這種滑覺傳感器中，也可將兩個接觸器改用光電傳感器代替，個接觸器改用光電傳感器代替，滾球表面制成反光和不反光的網(wǎng)滾球表面制成反光和不反光的網(wǎng)格，可提高可靠性，減少磨損。格，可提高可靠性，減少磨損。自動檢測技術(shù)3）PVDF接觸覺傳感器接觸覺傳感器 有機高分子聚二氟乙烯（有機高分子聚二氟乙烯（PVDF）是一種具有壓電效）是一種具有壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)的敏感材料，使用該材料可制成接觸覺、應(yīng)和熱釋電效應(yīng)的敏感材料，使用該材料可制成接觸覺、滑覺、熱覺的傳感器，是人們用來研制仿

14、生皮膚的主要滑覺、熱覺的傳感器，是人們用來研制仿生皮膚的主要材料，如圖材料，如圖9-8所示。所示。PVDF薄膜厚度只有幾十微米，具薄膜厚度只有幾十微米，具有優(yōu)良的柔性及壓電特性。有優(yōu)良的柔性及壓電特性。a) 接觸接觸/滑覺傳感器的人工皮膚滑覺傳感器的人工皮膚b) 接觸接觸/滑覺滑覺/溫度傳感器的人工皮膚結(jié)構(gòu)溫度傳感器的人工皮膚結(jié)構(gòu)圖圖9-8 人工皮膚結(jié)構(gòu)的剖面圖人工皮膚結(jié)構(gòu)的剖面圖自動檢測技術(shù)4.接近覺傳感器接近覺傳感器 接近覺傳感器用于感知一定距離內(nèi)的場景狀況，所接近覺傳感器用于感知一定距離內(nèi)的場景狀況，所感應(yīng)的距離范圍一般為幾毫米至幾十毫米，也有可達幾感應(yīng)的距離范圍一般為幾毫米至幾十毫米，

15、也有可達幾米，如圖米，如圖9-9所示。接近覺為機器人的后續(xù)動作提供必所示。接近覺為機器人的后續(xù)動作提供必要的信息，供機器人決定以怎么樣的速度接近或避讓對要的信息，供機器人決定以怎么樣的速度接近或避讓對象。常用的接近覺傳感器有電磁式、光電式、電容式、象。常用的接近覺傳感器有電磁式、光電式、電容式、超聲波式、紅外式、微波式等多種類型。超聲波式、紅外式、微波式等多種類型。圖圖9-9 光學(xué)接近傳感器光學(xué)接近傳感器自動檢測技術(shù)1）電磁式接近覺傳感器）電磁式接近覺傳感器 常用的電磁式接近覺傳感器有電渦流式傳感器和常用的電磁式接近覺傳感器有電渦流式傳感器和霍爾式傳感器。這類傳感器用以感知近距離的、靜止霍爾式

16、傳感器。這類傳感器用以感知近距離的、靜止物體的接近情況。電渦流式對非金屬材料的物體無法物體的接近情況。電渦流式對非金屬材料的物體無法感知，霍爾式對非磁性材料的物體無法感知，選用時感知，霍爾式對非磁性材料的物體無法感知，選用時需根據(jù)具體情況而定。需根據(jù)具體情況而定。自動檢測技術(shù)2）光電式接近覺傳感器）光電式接近覺傳感器 光電式接近覺傳感器采用發(fā)射光電式接近覺傳感器采用發(fā)射-反射式原理，如圖反射式原理，如圖9-10所示。這種傳感器適合于判斷有無物體接近，而所示。這種傳感器適合于判斷有無物體接近，而難于感知物體距離的數(shù)值。另外，物體表面的反射率難于感知物體距離的數(shù)值。另外，物體表面的反射率等因素對傳

17、感器的靈敏度有較大影響。等因素對傳感器的靈敏度有較大影響。圖圖9-10 安裝在機器人抓爪上的接近覺傳感器安裝在機器人抓爪上的接近覺傳感器自動檢測技術(shù)3）超聲波接近覺傳感器）超聲波接近覺傳感器 超聲波接近覺傳感器既可以用一個超聲波換能器超聲波接近覺傳感器既可以用一個超聲波換能器兼做發(fā)射和接收器件；也可以用兩只超聲波換能器，兼做發(fā)射和接收器件；也可以用兩只超聲波換能器，一只作為發(fā)射器，另一只作為接收器。超聲波接近覺一只作為發(fā)射器，另一只作為接收器。超聲波接近覺傳感器除了能感知物體有無外，還能感知物體的遠近傳感器除了能感知物體有無外，還能感知物體的遠近距離，距離與聲速距離，距離與聲速c、時間、時間t

18、的關(guān)系為：的關(guān)系為： 超聲波傳感器最大的優(yōu)點是不受環(huán)境因素的影響，超聲波傳感器最大的優(yōu)點是不受環(huán)境因素的影響，也不受物體材料、表面特性等的限制，因此適用范圍也不受物體材料、表面特性等的限制，因此適用范圍較大。較大。ctl21自動檢測技術(shù) 力覺是指機器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運動中所受力力覺是指機器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運動中所受力的感知，主要包括腕力覺、關(guān)節(jié)力覺和支座力覺等，的感知，主要包括腕力覺、關(guān)節(jié)力覺和支座力覺等，需要力或力矩傳感器。需要力或力矩傳感器。 常用的機器人力傳感器和力矩傳感器有電阻應(yīng)變常用的機器人力傳感器和力矩傳感器有電阻應(yīng)變式力傳感器、壓電式力傳感器、電容式力傳感器、電式力傳感器、壓

19、電式力傳感器、電容式力傳感器、電感式力傳感器以及各種外力傳感器等。力覺傳感器的感式力傳感器以及各種外力傳感器等。力覺傳感器的共同特點是，首先通過彈性敏感元件將被測力共同特點是，首先通過彈性敏感元件將被測力(或力或力矩矩)轉(zhuǎn)換成某種位移量或變形量，然后通過各自的敏轉(zhuǎn)換成某種位移量或變形量，然后通過各自的敏感介質(zhì)把位移量轉(zhuǎn)換成能夠輸出的電量。感介質(zhì)把位移量轉(zhuǎn)換成能夠輸出的電量。 5.力覺傳感器力覺傳感器自動檢測技術(shù) 20世紀世紀70年代中期美國斯坦福大學(xué)研制的六維力和年代中期美國斯坦福大學(xué)研制的六維力和力矩傳感器，如圖力矩傳感器，如圖9-11所示。該傳感器利用一段鋁管巧所示。該傳感器利用一段鋁管巧

20、妙地加工成串聯(lián)的彈性梁，在梁上粘貼一對應(yīng)變片，其妙地加工成串聯(lián)的彈性梁，在梁上粘貼一對應(yīng)變片，其中一片用于溫度補償。由圖可知，有八個具有四個取向中一片用于溫度補償。由圖可知，有八個具有四個取向的窄梁，其中四個的長軸在的窄梁，其中四個的長軸在z方向用方向用PX+、PY+、PX-、PY- 表示，其余四個的軸垂直于表示，其余四個的軸垂直于z方向，用方向，用QX+、QY+、QX-、QY- 表示。一對應(yīng)變片由表示。一對應(yīng)變片由R1、R2表示并取向，使得由后者表示并取向，使得由后者的中心通過前者中心的矢量沿止的中心通過前者中心的矢量沿止x、y或或z方向，例如，在方向，例如，在粱粱PX+ 和和PY- 的應(yīng)變

21、片垂直于的應(yīng)變片垂直于y方向。梁一端的預(yù)部在應(yīng)變方向。梁一端的預(yù)部在應(yīng)變片處有放大應(yīng)變的作用，而彎曲轉(zhuǎn)矩忽略不計。片處有放大應(yīng)變的作用，而彎曲轉(zhuǎn)矩忽略不計。 自動檢測技術(shù)圖圖9-11 機器人用六維力機器人用六維力和力矩傳感器和力矩傳感器自動檢測技術(shù) 應(yīng)變片可以由上圖所示的電位計進行溫度補償。鋁具應(yīng)變片可以由上圖所示的電位計進行溫度補償。鋁具有良好的導(dǎo)熱性，環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致兩個應(yīng)變片的電有良好的導(dǎo)熱性，環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致兩個應(yīng)變片的電阻變化幾乎相同，從而使電路的輸出不變。為了防止過阻變化幾乎相同，從而使電路的輸出不變。為了防止過載造成傳感器的失效，傳感器上設(shè)有過載保護針。該傳載造成傳感器的失效

22、，傳感器上設(shè)有過載保護針。該傳感器的缺點在于彈性粱的剛性差，加工困難。感器的缺點在于彈性粱的剛性差，加工困難。自動檢測技術(shù)9.1.3 9.1.3 機器人傳感器的應(yīng)用機器人傳感器的應(yīng)用 研制機器人的最初目的是為了幫助人們擺脫繁重研制機器人的最初目的是為了幫助人們擺脫繁重勞動、簡單的重復(fù)勞動，以及代替人到有輻射等危險勞動、簡單的重復(fù)勞動，以及代替人到有輻射等危險環(huán)境中進行作業(yè)。因此，機器人最早在汽車制造業(yè)和環(huán)境中進行作業(yè)。因此，機器人最早在汽車制造業(yè)和核工業(yè)領(lǐng)域得以應(yīng)用。隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，核工業(yè)領(lǐng)域得以應(yīng)用。隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域的焊接、噴漆、搬運、裝配、鑄造等場合，工業(yè)領(lǐng)域的

23、焊接、噴漆、搬運、裝配、鑄造等場合，已經(jīng)開始大量使用機器人。另外在軍事、海洋探測、已經(jīng)開始大量使用機器人。另外在軍事、海洋探測、航天、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、林業(yè)，甚至服務(wù)娛樂行業(yè)，也都航天、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、林業(yè)，甚至服務(wù)娛樂行業(yè)，也都開始使用機器人。開始使用機器人。自動檢測技術(shù)圖圖9-13 弧焊機器人弧焊機器人自動檢測技術(shù)圖圖9-14 噴涂機器人應(yīng)用于汽車噴涂機器人應(yīng)用于汽車自動檢測技術(shù)9 9. .2 2 生物傳感器生物傳感器 生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質(zhì)、生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學(xué)換能器有、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學(xué)換能器有機結(jié)合的一門

24、交叉學(xué)科，用以檢測和識別生物體內(nèi)的機結(jié)合的一門交叉學(xué)科，用以檢測和識別生物體內(nèi)的化學(xué)成分，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進的檢化學(xué)成分，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進的檢測方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量測方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。分析方法。自動檢測技術(shù) 生物傳感器的原理，如下圖所示。待測物質(zhì)經(jīng)擴生物傳感器的原理，如下圖所示。待測物質(zhì)經(jīng)擴散作用進入生物活性材料，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物學(xué)散作用進入生物活性材料，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息繼而被相應(yīng)的物理或化學(xué)換能器轉(zhuǎn)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息繼而被相應(yīng)的物理或化學(xué)換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號，再經(jīng)二

25、次儀表放大并變成可定量和可處理的電信號，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測物濃度。輸出，便可知道待測物濃度。自動檢測技術(shù)9.2.1 9.2.1 生物傳感器的分類生物傳感器的分類 1.按所用生物活性物質(zhì)分類按所用生物活性物質(zhì)分類酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器和細胞傳感器。器和細胞傳感器。 2.按所用變換器器件分類按所用變換器器件分類半導(dǎo)體生物傳感器、光生物傳感器、熱生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、光生物傳感器、熱生物傳感器、壓電晶體生物傳感器和介體生物傳感器。壓電晶體生物傳感器和介體生物傳感器。 3.其他分類方法其他分類方法微型生物傳感

26、器、親和生物傳感器、多功能生物傳微型生物傳感器、親和生物傳感器、多功能生物傳感器、復(fù)合生物傳感器。感器、復(fù)合生物傳感器。自動檢測技術(shù)9.2.2 9.2.2 常用的生物傳感器常用的生物傳感器1. 酶傳感器酶傳感器 酶傳感器是問世最早、成熟度最高的一類生物傳酶傳感器是問世最早、成熟度最高的一類生物傳感器。它是利用酶的催化作用，在常溫常壓下將糖類、感器。它是利用酶的催化作用，在常溫常壓下將糖類、醇類、有機酸、氨基酸等生物分子氧化或分解，然后醇類、有機酸、氨基酸等生物分子氧化或分解，然后通過換能器將反應(yīng)過程中化學(xué)物質(zhì)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦磐ㄟ^換能器將反應(yīng)過程中化學(xué)物質(zhì)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栍涗浵聛?，進而推出相應(yīng)

27、的生物分子濃度。因此，號記錄下來，進而推出相應(yīng)的生物分子濃度。因此，酶傳感器是間接型傳感器，它不是直接測定待測物質(zhì)，酶傳感器是間接型傳感器，它不是直接測定待測物質(zhì)，而是通過對反應(yīng)后有關(guān)物質(zhì)濃度的測定，來推斷被測而是通過對反應(yīng)后有關(guān)物質(zhì)濃度的測定，來推斷被測物質(zhì)的濃度。物質(zhì)的濃度。自動檢測技術(shù)分類：分類：1）電流型酶傳感器）電流型酶傳感器 將酶催化反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)，通過電極反應(yīng)產(chǎn)生電將酶催化反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)，通過電極反應(yīng)產(chǎn)生電流，作為測量信號。在一定條件下，利用測得的電流流，作為測量信號。在一定條件下，利用測得的電流信號與被測物活度或濃度的函數(shù)關(guān)系，來測定樣品中信號與被測物活度或濃度的函數(shù)關(guān)系，來測

28、定樣品中某一生物組成的活度或濃度。常用電極：氧電極、某一生物組成的活度或濃度。常用電極：氧電極、H2O2電極。電極。2）電位型酶傳感器）電位型酶傳感器 通過電化學(xué)傳感器，測量敏感膜電位，確定與催通過電化學(xué)傳感器，測量敏感膜電位，確定與催化反應(yīng)有關(guān)的各種物質(zhì)濃度。電位型一般用化反應(yīng)有關(guān)的各種物質(zhì)濃度。電位型一般用NH3電極、電極、CO2電極、電極、H2電極，以離子作為檢測方式，表電極，以離子作為檢測方式，表9-2給出給出了酶傳感器的種類。了酶傳感器的種類。 自動檢測技術(shù)2.微生物傳感器微生物傳感器 用微生物作為分子識別元件制成的傳感器稱為用微生物作為分子識別元件制成的傳感器稱為微生物傳感器。微生

29、物傳感器與酶傳感器相比，有微生物傳感器。微生物傳感器與酶傳感器相比，有價格便宜、性能穩(wěn)定的優(yōu)點，但其響應(yīng)時間較長價格便宜、性能穩(wěn)定的優(yōu)點，但其響應(yīng)時間較長（數(shù)分鐘），選擇性較差。目前微生物傳感器已成（數(shù)分鐘），選擇性較差。目前微生物傳感器已成功地應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)和環(huán)境檢測中，例如測定江水功地應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)和環(huán)境檢測中，例如測定江水及廢水污染程度，在醫(yī)學(xué)中可測量血清中微量氨基及廢水污染程度，在醫(yī)學(xué)中可測量血清中微量氨基酸，有效地診斷尿毒癥和糖尿病等。酸，有效地診斷尿毒癥和糖尿病等。自動檢測技術(shù) 微生物本身就是具有生命活性的細胞，有各種生微生物本身就是具有生命活性的細胞，有各種生理機能，其主要機能是

30、呼吸機能（理機能，其主要機能是呼吸機能（O2的消耗）和新的消耗）和新陳代謝機能（物質(zhì)的合成與分解），還有菌體內(nèi)的陳代謝機能（物質(zhì)的合成與分解），還有菌體內(nèi)的復(fù)合酶、能量再生系統(tǒng)等。因此在不損壞微生物機復(fù)合酶、能量再生系統(tǒng)等。因此在不損壞微生物機能情況下，可將微生物用固定化技術(shù)固定在載體上，能情況下，可將微生物用固定化技術(shù)固定在載體上，就可制作出微生物敏感膜，而采用的載體一般是多就可制作出微生物敏感膜，而采用的載體一般是多孔醋酸纖維膜和膠原膜。微生物傳感器從工作原理孔醋酸纖維膜和膠原膜。微生物傳感器從工作原理上可分為兩種類型，即呼吸機能型和代謝機能型，上可分為兩種類型，即呼吸機能型和代謝機能型，

31、微生物傳感器結(jié)構(gòu)如圖微生物傳感器結(jié)構(gòu)如圖9-16所示。所示。 自動檢測技術(shù)O2O2底物底物 鉑陰極鉑陰極固定化微生物固定化微生物O2 氧電極氧電極陽極陽極a）呼吸機能型）呼吸機能型自動檢測技術(shù)燃料電池型電極燃料電池型電極CO2電極電極 NH3電極電極pH電極電極H2CO2NH3 H+底物底物固定化微生物固定化微生物b） 代謝機能型代謝機能型圖圖9-16 微生物傳感器結(jié)構(gòu)微生物傳感器結(jié)構(gòu)自動檢測技術(shù)3.免疫傳感器免疫傳感器 利用抗體能識別抗原，并與抗原結(jié)合的生物傳感器利用抗體能識別抗原，并與抗原結(jié)合的生物傳感器稱為免疫傳感器。它利用固定化抗體（或抗原膜）與相稱為免疫傳感器。它利用固定化抗體（或抗

32、原膜）與相應(yīng)的抗原（或抗體）的特異反應(yīng)，此反應(yīng)的結(jié)果使生物應(yīng)的抗原（或抗體）的特異反應(yīng)，此反應(yīng)的結(jié)果使生物敏感膜的電位發(fā)生變化。敏感膜的電位發(fā)生變化。 免疫傳感器的基本原理是免疫反應(yīng)。從生理學(xué)可知，免疫傳感器的基本原理是免疫反應(yīng)。從生理學(xué)可知，抗原是能夠刺激動物機體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)。但從廣抗原是能夠刺激動物機體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)。但從廣義的生物學(xué)觀點看，凡是能夠引起免疫反應(yīng)性能的物質(zhì)，義的生物學(xué)觀點看，凡是能夠引起免疫反應(yīng)性能的物質(zhì)，都可稱為抗原。抗原有兩種性能：刺激機體產(chǎn)生免疫應(yīng)都可稱為抗原?？乖袃煞N性能：刺激機體產(chǎn)生免疫應(yīng)答反應(yīng)；與相應(yīng)免疫反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生特異性結(jié)合反應(yīng)?？勾鸱磻?yīng)；與相應(yīng)免

33、疫反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生特異性結(jié)合反應(yīng)?？乖坏┍涣馨颓蝽憫?yīng)就形成抗體。而微生物病毒等也是原一旦被淋巴球響應(yīng)就形成抗體。而微生物病毒等也是抗原?？贵w是由抗原刺激機體產(chǎn)生的具有特異免疫功能抗原?？贵w是由抗原刺激機體產(chǎn)生的具有特異免疫功能的球蛋白，又稱免疫球蛋白。的球蛋白，又稱免疫球蛋白。自動檢測技術(shù)圖圖9-17 免疫傳感器結(jié)構(gòu)原理免疫傳感器結(jié)構(gòu)原理 在圖在圖9-17中，中，2、3兩室間有固定化抗原膜，兩室間有固定化抗原膜，1、3兩兩室間沒有固定化抗原膜。室間沒有固定化抗原膜。1、2室內(nèi)注入室內(nèi)注入0.9%的生理鹽水，的生理鹽水，當當3室內(nèi)導(dǎo)入食鹽水時，室內(nèi)導(dǎo)入食鹽水時，1、2室內(nèi)電極間無電位差。若室內(nèi)電極

34、間無電位差。若3室室內(nèi)注入含有抗體的鹽水時，由于抗體和固定化抗原膜上的內(nèi)注入含有抗體的鹽水時，由于抗體和固定化抗原膜上的抗原相結(jié)合，使膜表面吸附了特異的抗體，而抗體是有電抗原相結(jié)合，使膜表面吸附了特異的抗體，而抗體是有電荷的蛋白質(zhì)，從而使固定化抗原膜帶電狀態(tài)發(fā)生變化，于荷的蛋白質(zhì)，從而使固定化抗原膜帶電狀態(tài)發(fā)生變化，于是是1、2室內(nèi)的電極間有電位差產(chǎn)生。電位差信號放大可檢室內(nèi)的電極間有電位差產(chǎn)生。電位差信號放大可檢測超微量的抗體。測超微量的抗體。自動檢測技術(shù)9 9 .2.3 .2.3 生物傳感器的應(yīng)用生物傳感器的應(yīng)用 生物傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測、食品工程、生物傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測、食

35、品工程、臨床醫(yī)學(xué)、軍事及軍事醫(yī)學(xué)等方面得到了深度重視和臨床醫(yī)學(xué)、軍事及軍事醫(yī)學(xué)等方面得到了深度重視和廣泛應(yīng)用。廣泛應(yīng)用。自動檢測技術(shù)1. 在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用 在各種生物傳感器中，微生物傳感器具有成本低、在各種生物傳感器中，微生物傳感器具有成本低、設(shè)備簡單、不受發(fā)酵液渾濁程度的限制、能消除發(fā)酵設(shè)備簡單、不受發(fā)酵液渾濁程度的限制、能消除發(fā)酵過程中干擾物質(zhì)的干擾等特點。因此，在發(fā)酵工業(yè)中過程中干擾物質(zhì)的干擾等特點。因此，在發(fā)酵工業(yè)中廣泛地采用微生物傳感器作為一種有效的測量工具。廣泛地采用微生物傳感器作為一種有效的測量工具。微生物傳感器可用于測量發(fā)酵工業(yè)中的原材料和代謝微生物傳感器可

36、用于測量發(fā)酵工業(yè)中的原材料和代謝產(chǎn)物；另外，還用于微生物細胞數(shù)目的測定。利用這產(chǎn)物；另外，還用于微生物細胞數(shù)目的測定。利用這種電化學(xué)微生物細胞數(shù)傳感器可以實現(xiàn)菌體濃度的連種電化學(xué)微生物細胞數(shù)傳感器可以實現(xiàn)菌體濃度的連續(xù)、在線測定。續(xù)、在線測定。自動檢測技術(shù) 2. 在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用 近年來，環(huán)境污染問題日益嚴重，生物傳感器即近年來，環(huán)境污染問題日益嚴重，生物傳感器即可用于環(huán)境監(jiān)測中。利用環(huán)境中的微生物細胞如細菌、可用于環(huán)境監(jiān)測中。利用環(huán)境中的微生物細胞如細菌、酵母、真菌作為識別元件，這些微生物通?？蓮幕钚越湍?、真菌作為識別元件，這些微生物通?？蓮幕钚阅酄畛练e物、河水、瓦礫和土

37、壤中分離出來。生物傳泥狀沉積物、河水、瓦礫和土壤中分離出來。生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用最多的是水質(zhì)分析。例如，在感器在環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用最多的是水質(zhì)分析。例如，在河流中放入特制的傳感器及其附件可進行現(xiàn)場檢測。河流中放入特制的傳感器及其附件可進行現(xiàn)場檢測。自動檢測技術(shù) 微生物傳感器是快速準確測定焦化、煉油、化工等微生物傳感器是快速準確測定焦化、煉油、化工等企業(yè)廢水中酚的有效方法。這種方法以微生物膜電極為企業(yè)廢水中酚的有效方法。這種方法以微生物膜電極為傳感器測酚，其儀器結(jié)構(gòu)見圖傳感器測酚，其儀器結(jié)構(gòu)見圖9-18。由極譜型氧電極和。由極譜型氧電極和緊貼于其透氣薄膜表面的微生物膜構(gòu)成。當酚物質(zhì)與氧緊貼于其

38、透氣薄膜表面的微生物膜構(gòu)成。當酚物質(zhì)與氧一起擴散進入微生物膜時，由于微生物對酚的同化作用一起擴散進入微生物膜時，由于微生物對酚的同化作用而耗氧，致使進入氧電極的氧分子速率下降，傳感器輸而耗氧，致使進入氧電極的氧分子速率下降，傳感器輸出電流減小，并在幾分鐘內(nèi)達到穩(wěn)定。在一定的酚濃度出電流減小，并在幾分鐘內(nèi)達到穩(wěn)定。在一定的酚濃度范圍內(nèi)，電流降低值范圍內(nèi)，電流降低值I與酚濃度呈線性關(guān)系，由此來測與酚濃度呈線性關(guān)系，由此來測定酚的濃度。定酚的濃度。自動檢測技術(shù)圖圖9-18 測酚儀器結(jié)構(gòu)示意圖測酚儀器結(jié)構(gòu)示意圖自動檢測技術(shù) 3. 在食品分析中的應(yīng)用在食品分析中的應(yīng)用 生物傳感器可廣泛用于食品工業(yè)生產(chǎn)中

39、，如對食品生物傳感器可廣泛用于食品工業(yè)生產(chǎn)中，如對食品原料、半成品和產(chǎn)品質(zhì)量的檢測等。原料、半成品和產(chǎn)品質(zhì)量的檢測等。 鮮度是評價食品品質(zhì)的重要指標，對食品鮮度進行鮮度是評價食品品質(zhì)的重要指標，對食品鮮度進行快速分析檢測，及時對有問題食物進行處理，以防止變快速分析檢測，及時對有問題食物進行處理，以防止變質(zhì)食品進一步擴散，這對減少沒必要的損失至關(guān)重要。質(zhì)食品進一步擴散，這對減少沒必要的損失至關(guān)重要。以戊二醛為交聯(lián)劑，將黃嘌呤氧化酶直接固定在絲蛋白以戊二醛為交聯(lián)劑，將黃嘌呤氧化酶直接固定在絲蛋白做成的孔膜上，以平面圓盤鉑電極為基礎(chǔ)電極，制成黃做成的孔膜上，以平面圓盤鉑電極為基礎(chǔ)電極，制成黃嘌呤氧化酶電極，用于測定魚的鮮度。通過測定魚降解嘌呤氧化酶電極，用于測定魚的鮮度。通過測定魚降解過程中產(chǎn)生的一磷酸肌